Вид с высоты

И все же следует признать, что правильнее было бы сформулировать Второе начало термодинамики так: «Во всякой замкнутой системе энтропия непрерывно или по крайней мере почти непрерывно растет со временем».

Энтропию можно представить себе также как нечто имеющее отношение к «порядку» и «беспорядку». Этим словам трудно дать определение, понятное всем и каждому, но интуитивно мы представляем себе «порядок» как нечто характерное для набора предметов, методично расположенных по какой-то логической системе. А там, где никакой логической системы не существует, скопление предметов будет в «беспорядке».

Можно также считать все, что находится в «порядке», расположенным так, что существует способ отличить одну часть от другой. Чем менее отчетливы эти отличия, тем меньше степень «порядка» и тем больше степень «беспорядка».

Например, колода карт находится в совершенном порядке, если она разложена по мастям, а карты каждой масти — по старшинству. Любую часть колоды можно отличить от другой. Велите мне указать, где двойка червей, и я скажу, что она в колоде пятнадцатая сверху.

Если колода разложена по мастям, но внутри каждой масти карты перемешаны, то я предскажу место данной карты не так точно. Я скажу, что двойка червей лежит где-то между четырнадцатой и двадцать шестой картами, но где точно, я не знаю. Отличие одной части колоды от другой стало менее определенным, и, значит, теперь уже в колоде меньшая степень порядка.

Если карты перетасованы так, что невозможно установить никакой системы, которая позволила бы определять, где какая карта, то я уже совершенно ничего не смогу сказать о местонахождении двойки червей. Одну часть колоды уже нельзя отличить от другой — карты находятся в совершенно беспорядочном состоянии.

Еще примеры различной степени порядка: какие-то объекты выстраиваются в своего рода ряды и шеренги, скажем, атомы или молекулы в кристалле или солдаты, марширующие в строю на параде.

Допустим, мы наблюдаем парад с балкона. Если солдаты идеально соблюдают равнение, то мы увидим шеренгу, потом интервал, потом другую шеренгу, еще интервал и так далее. Мы различаем участки двух видов (одни, темные, заполнены солдатами, другие — просветы между шеренгами), которые сменяют друг друга.

Если часть солдат нарушит строй, то в просветах появятся темные пятна, а в участках, которые были заполнены солдатами, появятся пробелы. Различие между двумя видами участков будет слабее, и степень упорядоченности станет меньше. Если солдаты совсем перестанут соблюдать строй и каждый пойдет по-своему, то солдат будет везде поровну и уже совсем нельзя будет отличить шеренги от интервалов, а следовательно, неупорядоченность возрастет еще больше.

Но беспорядок все же не будет полным. Солдаты идут в одном определенном направлении, и если нам не удастся отличить одну часть колонны от другой, то мы сможем по крайней мере определенно судить о своем положении относительно их движения. С одной стороны мы будем видеть, что солдаты идут влево, с другой — вправо, с третьей — прямо на нас и так далее.

Наконец, если солдаты будут двигаться совершенно хаотически, с разными скоростями в разных направлениях каждый, то, где бы мы ни стояли, одни будут двигаться на нас, другие — от нас, какая-то часть — влево, другая — вправо… Нам не удастся уже ни выделить определенные группы среди солдат, ни определить свое положение. Беспорядок станет гораздо более полным.

Вернемся, однако, к молекулам и рассмотрим еще раз резервуар горячего газа, соединенный с объемом холодного газа. Если бы вы видели молекулы этих газов, вы могли бы отличить молекулы горячего газа от молекул холодного, опираясь на тот факт, что первые в среднем движутся быстрее, чем вторые. Но и не видя молекул, вы можете сделать это, наблюдая за ртутным столбиком термометра.

Так как тепло переходит от горячего газа к холодному, разница в энергичности среднего молекулярного движения, а тем самым и в температуре уменьшается и различие между двумя газами становится все менее четким. Наконец, когда температуры обоих газов уравняются, отличить их друг от друга станет невозможно. Другими словами, когда тепло перетекает в направлении, предписанном Вторым началом термодинамики, беспорядок возрастает. Поскольку энтропия тоже увеличивается, вы могли бы подумать: уж не являются ли энтропия и неупорядоченность весьма родственными понятиями?

По-видимому, так оно и есть. В любом самопроизвольном процессе повышается и энтропия, и беспорядок. Если перетасовать разложенную по порядку колоду карт, то получится беспорядочно перемешанная колода, но не наоборот. (Разумеется, при дьявольском везении вы могли бы, начав с беспорядочно перемешанной колоды и перетасовав ее, получить колоду, разложенную в полном порядке, но, говоря начистоту, станете ли вы пробовать и если да, то за какое время рассчитываете управиться? А ведь это задача всего-навсего с 52 объектами. Представьте себе, что то же самое нужно сделать с несколькими квинтильонами квинтильонов предметов, тогда вы не удивитесь, что чайник на плите не замерзает.)

Если строю солдат разрешить разойтись, они быстро станут беспорядочной толпой. С другой стороны, весьма мала вероятность, что по чистой случайности в беспорядочном движении толпы вдруг образуется безупречный строй парада.

Все самопроизвольные процессы влекут за собой увеличение беспорядка и повышение энтропии, причем и тот и другая идут рука об руку.

Можно показать, что из всех форм энергии теплота самая беспорядочная. Соответственно во всех самопроизвольных процессах, связанных с другими (не тепловыми) формами энергии, некоторая часть энергии всегда превращается в тепло, а это само по себе уже означает увеличение беспорядка, а с ним и энтропии.

Зато ни в каких реальных условиях весь запас теплоты в системе невозможно перевести в какой-либо другой, нетепловой вид энергии, ибо это само по себе означало бы возрастание порядка и тем самым понижение энтропии. Наоборот, если некоторое количество теплоты претерпевает понижение энтропии, переходя в другую форму энергии, то остальная тепловая энергия должна испытать такое повышение энтропии, которое с избытком окупило бы первый процесс. Общее изменение энтропии всей системы должно сводиться к ее увеличению.

Не трудно, конечно, привести случаи понижения энтропии, коль скоро речь идет не о всей системе, а о части ее. Например, мы видим, как человечество извлекает металлы из руд и создает машины исключительной сложности из металлических болванок. Видим, как скользят вверх лифты, катят в гору автомобили, строятся в колонны солдаты и раскладываются по порядку карты. Все эти и очень многие другие действия связаны с понижением энтропии, вызываемым жизнедеятельностью человечества. Возникает впечатление, что разумная жизнь способна «повернуть вспять энтропию».

Тут, однако, не все учтено. Люди поглощают пищу и поддерживают свою жизнеспособность благодаря энергии, извлекаемой из химических реакций в организме. Они сжигают уголь и нефть, чтобы дать энергию машинам. Используют энергию гидроэлектростанций, чтобы получить из руды алюминий. Короче, вся направленная на понижение энтропии деятельность человека осуществляется за счет повышающих энтропию процессов, связанных с потреблением пищи и топлива. Действия, повышающие энтропию, далеко перевешивают всю деятельность по понижению энтропии. Общий конечный результат — повышение энтропии.

Сколько бы мы ни стучали по столу и ни призывали: «К порядку! К порядку!», порядка нет, а беспорядок увеличивается.

На самом деле, говоря об изменении энтропии на Земле, несправедливо рассматривать Землю в отрыве от Солнца, ибо она постоянно потребляет его энергию. Поток энергии Солнца питает все процессы на Земле, которые связаны с местными понижениями энтропии: образование угля и нефти из растительности, круговорот веществ в атмосфере и океане, дальние перемещения масс воды в виде пара и так далее. Именно благодаря щедрости этого источника мы продолжаем извлекать энергию из сжигаемого угля или нефти, используем силы ветра, рек, водопадов и т. д. Всеми этими запасами энергии прямо или косвенно мы обязаны Солнцу.